WLAN - Informatik 4

Lehrstuhl für Informatik 4
Kommunikation und verteilte Systeme
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Kommunikation und verteilte Systeme
Drahtloses Ethernet
IEEE 802.11-Varianten
• Drahtloses Äquivalent zu Ethernet: "Wireless LAN" (WLAN)
• Ausschließlich datenorientierte, breitbandige Internetzugangslösung
• Standardisiert von der IEEE als IEEE 802.11
1997: IEEE 802.11 (Bandbreiten von maximal 2 MBit/s)
IEEE 802.11a mit 54 MBit/s durch Verwendung eines (störanfälligeren)
Frequenzbandes mit größerer Kapazität
1999: IEEE 802.11b (Brutto-Datenrate von 11 MBit/s bei einem
Nutzdatenanteil von bis zu 6 MBit/s)
IEEE 802.11g: ähnlich zu 802.11b, aber mit höherer Datenrate (54 MBit/s)
…
802.11a
802.11
• 1 oder 2 Mbit
• 2,4 GHz
• FHSS, DSSS
• 54 Mbit
• 5 GHz
• FHSS, DSSS
802.11b
802.11g
• 11 Mbit
• 2,4 GHz
• nur DSSS
• Erweiterung auf 54 Mbit
• Kompatibel zu 802.11b
Seite 1
Kapitel 3.2: WLAN
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Kapitel 3.2: WLAN
54-MBit/s-WLAN im 5-GHz-Band
802.11b
11-MBit/s-WLAN im 2,4-GHz-Band
802.11c
Wireless Bridging zwischen Access Points
802.11d
"World Mode", Anpassung an regionsspezifische Regulatorien (z.B. verwendete
Frequenzbereiche)
802.11e
QoS- und Streaming-Erweiterung für 802.11a/g/h
802.11f
Roaming für 802.11a/g/h (Inter Access Point Protocol IAPP), zwischen Access Points
verschiedener Hersteller
802.11g
54-MBit/s-WLAN im 2,4-GHz-Band
802.11h
54-MBit/s-WLAN im 5-GHz-Band mit dynamischer Anpassung der Kanal- und Frequenzwahl
sowie automatischer Anpassung der Sendeleistung (Erweiterung von IEEE 802.11a für Europa)
802.11i
Authentifizierung/Verschlüsselung für 802.11a/b/g/h
802.11j
Japanische Variante von 802.11a für den Bereich 4,9 GHz - 5 GHz.
802.11k
Bessere Messung/Auswertung/Verwaltung der Funkparameter (z. B. Signalstärke), soll z. B.
ortsbezogene Dienste (Location Based Services) ermöglichen.
802.11m
Zusammenfassung früherer Ergänzungen, Bereinigung von Fehlern aus vorausgegangenen
Spezifikationen (Maintenance).
802.11n
Geplante Erweiterung für ein zukünftiges, schnelleres WLAN mit 108 MBit/s bis 320 MBit/s.
Kapitel 3.2: WLAN
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IEEE 802.11a
• Datenraten
– 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54
MBit/s, abhängig von SNR
– Nutzdatenrate: max. 32 MBit/s
– 6, 12, 24 MBit/s verpflichtend
• Kommunikationsbereich
– 100m Außen-, 10m Innenbereich
(z.B. 54 Mbit/s bis 5 m, 48 bis 12
m, 36 bis 25 m, 24 bis 30 m, 18
bis 40 m, 12 bis 60 m)
• Frequenzbereich
– Freies 5.15-5.35, 5.725-5.825
GHz-ISM-Band
• Sicherheit
– Begrenzt, WEP unsicher, SSID
• Verfügbarkeit
– Einige Produkte, einige Firmen
802.11a
IEEE 802.11b
•
•
•
•
Verbindungsaufbaudauer
– Verbindungslos, „always on“
Dienstgüte
– Best effort, keine Garantien
Verwaltbarkeit
– Begrenzt (keine automatische
Schlüsselverteilung,
symmetrische Verschlüsselung)
Spezielle Vor-/Nachteile
– Vorteil: freies ISM-Band,
verfügbar, einfach, nutzt das
(noch) freiere 5 GHz Band
– Nachteil: stärkere Abschattung
auf Grund der höheren
Frequenz, keine Dienstgüte
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• Datenraten
– 1, 2, 5,5, 11 MBit/s, abhängig
von SNR
– Nutzdatenrate max. ca. 6 MBit/s
• Kommunikationsbereich
– 300m Außen-, 30m Innenbereich
(Richtfunk: mehrere km)
– Max. Datenrate bis ~10m (in
Gebäuden)
• Frequenzbereich
– Freies 2.4 GHz ISM-Band
• Sicherheit
– Begrenzt, WEP unsicher, SSID
• Verfügbarkeit
– Viele Produkte, viele Anbieter
• Verbindungsaufbaudauer
– Verbindungslos, „always on“
Kapitel 3.2: WLAN
• Dienstgüte
– Best effort, keine Garantien
(solange kein „Polling“ eingesetzt
wird)
• Verwaltbarkeit
– Begrenzt (keine automatische
Schlüsselverteilung,
symmetrische Verschlüsselung)
• Spezielle Vor-/Nachteile
– Vorteil: viele installierte Systeme,
große Erfahrung, weltweite
Verfügbarkeit, freies ISM-Band,
viele Firmen, integriert in
Laptops, einfaches System
– Nachteil: starke Störungen auf
dem ISM-Band, keine
Dienstgüte, relativ niedrige
Datenraten
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802.11 - Physikalische Schicht
Aufbau eines WLAN
1. Netze mit fester Infrastruktur
• Infrastruktur bedeutet: feststehendes Netz, z.B.
Ethernet oder Satellitenstrecken
AP
Infrastruktur
• Zentraler Access Point (AP), drahtlose
AP
AP
Geräte kommunizieren nur mit dem AP
• Kontrollfunktionalitäten (Medienzugriff,
Mobilitätsmanagement, Authentisierung, …) sind in der Infrastruktur realisiert
• Komplexität liegt in den Infrastrukturkomponenten, drahtlose Geräte brauchen nur
ein Minimum an Funktionalität zu realisieren
Varianten zur Übertragung: 2 Funk (im 2.4 GHz-Band), 1 Infrarot
• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
– 2 Frequenzen bei 1 MBit/s, 4 Frequenzen bei 2 MBit/s
– 79 unterschiedliche Kanäle von 1 MHz Bandbreite
– min. 2,5 Frequenzwechsel/s
– GFSK-Modulation
– maximale Sendeleistung: 1 W (USA)/100 mW (EU), minimal: 1 mW
L a p to p
L a p to p
• DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
– DBPSK-Modulation für 1 MBit/s (Differential Binary Phase Shift Keying),
DQPSK für 2 MBit/s (Differential Quadrature PSK)
– Chip-Sequenz: (+1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1), ein Barker-Code
– maximale Sendeleistung: 1 W (USA)/100 mW (EU), minimal: 1 mW
• Infrarot
– 850-950nm, diffuses Licht, typ. 10 m Reichweite
Seite 5
Kapitel 3.2: WLAN
STA1
BSS1
Portal
Access
Point
Distribution System
Access
Point
ESS
BSS2
STA2
802.11 LAN
Kapitel 3.2: WLAN
STA3
L a p to p
Laptop
Laptop
Laptop
Seite 6
Kapitel 3.2: WLAN
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Architektur: Infrastrukturnetz
802.x LAN
L a p to p
2. Ad-hoc-Netze
• Keine Infrastruktur – die drahtlosen Geräte
kommunizieren direkt miteinander
• Höhere Komplexität der Geräte, da jedes
Gerät alle Zugriffs- und Kontrollmechanismen implementieren muss
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802.11 LAN
L a p to p
Architektur: Ad-hoc Netzwerk
• Station (STA)
Rechner mit Zugriffsfunktion auf das
drahtlose Medium und Funkkontakt
zum Access Point
• Access Point (AP)
Station, die sowohl in das Funk-LAN
als auch das verbindende Festnetz
(Distribution System) integriert ist
• Basic Service Set (BSS)
Gruppe von Stationen samt AP
innerhalb eines
Übertragungsbereichs, die die gleiche
Frequenz nutzen
• Portal
Übergang in ein anderes Festnetz
• Distribution System
Verbindung verschiedener Zellen zur
Bildung eines logischen Netzes (EES:
Extended Service Set)
Seite 7
802.11 LAN
STA1
STA3
IBSS1
STA2
IBSS2
STA5
• Direkte Kommunikation mit begrenzter
Reichweite
– Station (STA)
Rechner mit Zugriffsfunktion auf
das drahtlose Medium
– Independent Basic Service Set (IBSS)
Gruppe von Stationen, die innerhalb
eines Übertragungsbereichs dieselbe
Funkfrequenz nutzen
• Unterschiedliche BSS durch räumliche
Trennung oder Verwendung
unterschiedlicher Trägerfrequenzen
• Keine ausgezeichneten Stationen zur
Weiterleitung von Daten, Wegwahl, …
STA4
802.11 LAN
Kapitel 3.2: WLAN
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Protokollarchitektur
Schichten
•
Infrastrukturnetz
•
Zugangspunkt (Access point)
Anwendung
TCP
TCP
IP
IP
802.11 MAC
802.11 MAC
802.3 MAC
802.3 MAC
802.11 PHY
802.11 PHY
802.3 PHY
802.3 PHY
•
•
•
•
LLC
Medium Access Control
• Zugriffsmechanismus, Fragmentierung, Verschlüsselung
• MAC Management: Synchronisierung, Roaming zwischen APs, Power Management
Physikalische Schicht
• Kanalwahl, Modulation, Codierungsart
MAC
– Zugriffsmechanismus,
Fragmentierung,
Verschlüsselung
MAC Management
– Synchronisierung, Roaming,
MIB, Power
Logical Link Control
MAC
Anwendung
MAC
MAC Management
Medium Access Control
PLCP
PHY
Anwendungen sollen von
der Existenz des
drahtlosen Netzes nichts
mitbekommen (außer
Bandbreite, längeren
Zugriffszeiten)
Festes Endgerät
(Fixed Terminal)
Station Management
Mobiles Endgerät
(Mobile Terminal)
Physical Layer
Convergence Protocol
PHY Management
PMD
Physical Medium Dependent
Seite 9
Kapitel 3.2: WLAN
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PLCP
– Clear Channel Assessment
Signal (Carrier Sense)
PMD
– Modulation, Codierung
PHY Management
– Kanalwahl, MIB
Station Management
– Koordination der ManagementFunktionen
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Kapitel 3.2: WLAN
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Kanäle bei IEEE 802.11b
802.11b - Physikalische Schicht
• Würden alle APs auf der gleichen Frequenz senden, würden in den
Überlappungsbereichen Störungen auftreten.
• Daher: Aufteilung des gesamten Frequenzbereichs in Kanäle
• Kanäle belegen nie genau eine Frequenz, sondern „streuen“ auf die benachbarten
Frequenzen. In IEEE 802.11b sind die Kanäle je 22 MHz breit
• 13 Kanäle in Deutschland (2412, 2417, 2422, …, 2472 MHz), 11 in USA/Kanada
• Kanäle überlappen! Nicht-überlappende Kanalwahl:
Dynamic Rate Shifting:
Anpassung der Übertragungsrate an die Übertragungsqualität:
Kanal 1
Kanal 7
Kanal 13
Datenrate
Codelänge
Modulation
verwendete
Symbolrate
erreichte
Bits/Symbol
1 MBit/s
11 (Barker-Code)
PSK
1 MS/s
1
2 MBit/s
11 (Barker-Code)
QPSK
1 MS/s
2
5.5 MBit/s
8 (CCK)
QPSK
1.375 MS/s
4
11 MBit/s
8 (CCK)
QPSK
1.375 MS/s
8
• Nur noch DSSS
2400
2412
2442
22 MHz
2472
2483.5 [MHz]
11
6
• Im Idealfall: vergebe nur Kanäle 1, 6 und 11:
1
1
11
Kapitel 3.2: WLAN
6
Seite 11
• CCK: Complementary Code Keying
Verwendung einer 8-Chips-langen Spreizsequenz: wähle 64 (11 MBit/s) bzw. 4
(5.5 MBit/s) der 48 möglichen Zustände aus, die möglichst gute
Kreuzkorrelationseigenschaften aufweisen. D.h.: verwende die Spreizung zur
Übertragung mehrerer Bits gleichzeitig (vereinfacht ausgedrückt)
Damit wird die Übertragung deutlich störanfälliger als für 1 bzw. 2 MBit/s
Kapitel 3.2: WLAN
Seite 12
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Übertragungskanäle
Reichweite von IEEE 802.11b
• Das gesamte Frequenzspektrum wird in Kanäle unterteilt, die zur Übertragung
verwendet werden können. Um Interferenzen zu vermeiden, müssen
Schutzabstände zwischen diesen Bereichen eingehalten werden.
• Einem Access Point wird genau ein Kanal zugewiesen.
• Signalspreizung: überlagere die Sendung mit einem Barker-Code, der das
eigentliche Signal über den gesamten Bereich von 22 MHz „verschmiert“. Dies ist
ein Schutz gegen Störeinflüsse bei der Übertragung.
Kanal 1
22 MHz
Aufgrund der fehlende Spreizung für niedrige Bitraten sind die höheren
Übertragungsraten störanfälliger. Damit ergibt sich eine geringere Reichweite:
Datenrate
10
Mbit/s
8
Nutzen: wenn ein Teil des
Frequenzbereichs gestört ist, kommt
doch noch genug vom Signal durch, um
die Nachricht zu erkennen. Würde nur
auf einer Frequenz gesendet, ginge bei
Störungen direkt alles verloren.
6
2
802.11
0
• Dieser Schutz entfällt bei Verwendung von CCK - höhere Störanfälligkeit bei hohen
Datenraten, damit geringere Reichweite
Kapitel 3.2: WLAN
802.11b
4
Seite 13
10
30
60
100 m
Distanz
Seite 14
Kapitel 3.2: WLAN
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Reichweite 802.11b
Kanäle bei IEEE 802.11a
36
5150
40
44
48
52
56
60
Kanalnummer
64
5180 5200 5220 5240 5260 5280 5300 5320
5350 [MHz]
16,6 MHz
149
Flächendeckendes WLAN:
installiere mehrere APs an
verschiedenen Stellen
Kapitel 3.2: WLAN
153
157
161
Kanalnummer
Mittelfrequenz =
5000 + 5*Kanalnummer [MHz]
5725 5745 5765 5785 5805 5825 [MHz]
16,6 MHz
Seite 15
Kapitel 3.2: WLAN
Seite 16
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Modulation bei 802.11a: OFDM
Medium Access Control
• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) mit 52 genutzten
Unterträgern (64 insgesamt definiert, 6 auf jeder Seite dienen als
Schutzabstand)
• Unterträger überlappen, aber Orthogonalität der gewählten Frequenzen erlaubt
eine Unterscheidbarkeit
• 48 Daten-Subkanäle + 4 für Phasenreferenz
• 312,5 kHz Kanalabstand
312,5 kHz
Phasenreferenz
-26 -21
Kapitel 3.2: WLAN
-7 -1 1
7
Mittelfrequenz der Kanäle
21 26
Unterträger
Nummer
„Drahtlose Variante von Ethernet“ - MAC-Protokoll orientiert sich an CSMA/CD
• Hidden Station Problem
• Exposed Station Problem
Lösung für die Probleme, vorrangig Hidden Station
CSMA/CA – CSMA with Collision Avoidance
Verkehrsarten
• Asynchroner Datendienst (Standard)
– Austausch von Datenpaketen auf „best-effort“-Basis
– Unterstützung von Broadcast und Multicast
• Zeitbegrenzte Dienste (optional)
– Realisierung eines gewissen Grades an Dienstgüte
– Nur verwendbar in Infrastruktur-Netzen
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Seite 18
Kapitel 3.2: WLAN
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802.11 - MAC-Schicht: DFWMAC
802.11 - MAC-Schicht
Zugriffsarten
Prioritäten für Medienzugriffe
• DFWMAC-DCF CSMA/CA (Standard)
– DFWMAC: Distributed Foundation Wireless MAC
– DCF: Distributed Coordination Function
– Kollisionsvermeidung durch zufälligen Zugriff mit „Backoff“Mechanismus
– Mindestabstand zwischen aufeinanderfolgenden Paketen
– Empfangsbestätigung durch ACK (nicht bei Broadcast)
• werden durch Staffelung der Zugriffszeitpunkte geregelt
• DFWMAC-DCF mit RTS/CTS (optional)
– Vermeidung des Problems der Hidden Stations
– MACA-Variante (Multiple Acces with Collision Avoidance)
• DIFS (DCF IFS) – 50µs
– niedrigste Priorität, für asynchrone Datendienste
• keine garantierten Prioritäten
• SIFS (Short Inter Frame Spacing) – 10µs
– höchste Priorität, für ACK, CTS, Antwort auf Polling
• PIFS (PCF IFS) – 30µs
– mittlere Priorität, für zeitbegrenzte Dienste mittels PCF
DIFS
• DFWMAC-PCF (optional)
– PCF: Point Coordination Function
– Kollisionsfreies, zentralisiertes Polling-Verfahren mit einer Liste aller
Stationen im AP
Kapitel 3.2: WLAN
Medium belegt
Seite 19
Kapitel 3.2: WLAN
DIFS
PIFS
SIFS
Wettbewerb
direkter Zugriff,
Zeit, die das Medium frei war ≥ DIFS
nächster Rahmen
t
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802.11 - CSMA/CA-Verfahren
Stationen im Wettbewerb
Wettbewerbsfenster
(zufälliger BackoffMechanismus)
DIFS
PIFS
SIFS
DIFS
Medium belegt
nächster Rahmen
Station1
boe
DIFS
bobo
e bo
e r
boe
busy
boe busy
boe bor
boe
boe
busy
busy
Station3
• Von allen Implementierungen zu unterstützen
• Sendewillige Station hört das Medium ab
• Ist das Medium für mindestens die Dauer eines Inter-Frame Space (DIFS) frei,
wird nach Ablauf von DIFS gesendet
• Ist das Medium belegt, wird auf einen freien DIFS gewartet und dann zusätzlich
um eine zufällige Backoff-Zeit verzögert (Kollisionsvermeidung, in Vielfachen
einer Slot-Zeit). Dabei wird weiterhin das Medium abgehört.
• Wird das Medium während der Backoff-Zeit von einer anderen Station belegt,
bleibt der Backoff-Timer so lange stehen. Nach erneutem Freiwerden wird
wieder für die Dauer von DIFS gewartet, dann läuft der Backoff-Timer weiter.
• Auch
für Broadcast
Seite 21
Kapitel
3.2:verwendbar
WLAN
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Station4
bobo
e bo
e r
Station5
busy
bor
t
busy
Medium belegt (Frame, ack, etc.)
boe verstrichene Backoff-Zeit
Sendewunsch
bor verbleibende Backoff-Zeit
Die Größe des Wettbewerbsfensters (Contention Window, CW) beeinflusst die
Leistungsfähigkeit. Daher (analog Ethernet) starte mit CW=7 und verdopple bei Kollision bis
CW
Seite 22
Kapitel
3.2: WLAN
max=255
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802.11 - CSMA/CA-Verfahren
802.11 – DFWMAC mit RTS/CTS
Unicast-Übertragung: der Empfang wird zusätzlich bestätigt, da Kollisionen
vom Sender möglicherweise nicht erkannt werden
• Daten können nach Abwarten von DIFS gesendet werden
• Empfänger antworten sofort (nach SIFS, ohne zusätzliche Backoff-Zeit), falls
das Paket korrekt empfangen wurde (CRC)
• Im Fehlerfall wird das Paket automatisch wiederholt. Keine
Sonderbehandlung einer Übertragungswiederholung, gleicher
Zugriffsmechanismus wie zuvor
Optionale Erweiterung zur Vermeidung des Problems der Hidden Stations:
• RTS mit Belegungsdauer als Parameter kann nach Abwarten von DIFS (plus evtl.
Backoff-Zeit) gesendet werden
• Bestätigung durch CTS nach SIFS durch Empfänger
• Sofortiges Senden der Daten möglich, Bestätigung wie gehabt
• Andere Stationen speichern die Belegungsdauer, die im RTS und CTS
ausgesendet wurden, in ihrem NAV (Net Allocation Vector) ab
• Kollisionen nur bei RTS/CTS-Nachrichten möglich, aber erheblicher Overhead
durch RTS/CTS-Nachrichten
DIFS
Daten
Sender
SIFS
Empfänger
data
CTS SIFS
SIFS
ACK
Empfänger
DIFS
Wartezeit
RTS
SIFS
Ack
weitere
Stationen
Kapitel 3.2: WLAN
DIFS
boe bobo
e r
Station2
Zeitschlitz (20 µs)
Sender
DIFS
t
Wartezeit
DIFS
DIFS
Wettbewerb
Daten
t
Wettbewerb
Seite 23
weitere
Stationen
Kapitel 3.2: WLAN
NAV (RTS)
NAV (CTS)
Wartezeit
DIFS
data
t
Seite 24
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802.11 – DFWMAC mit RTS/CTS
DFWMAC-PCF
•
•
•
•
•
PCF für Garantien bzgl. Bandbreite/Zugriffsverzögerung
AP steuert Medienzugriff und fragt rundum alle Stationen ab (Polling)
Nicht für Ad-hoc-Netze
Superrahmen mit wettbewerbsfreier Periode und Wettbewerbsperiode (wie vorher)
Wird das Medium nach Anfang des Superrahmens wieder frei, fragt der
Koordinator rundum alle Stationen x ab (Dx). Diese antworten bei Bedarf mit Ux
• Wird die Phase eher beendet als geplant (t2 statt t3), bleibt mehr Zeit für die
Wettbewerbsphase
• Fragmentierung der Daten zur Verringerung des Schadens bei
Übertragungsfehlern
• Spezieller Mechanismus: passe Größe der Fragmente an derzeitige Fehlerrate
des Mediums an
• Zunächst normale Reservierung mit RTS/CTS
• Fragmente und ACKS (bis auf jeweils letztes) beinhalten auch
Reservierungsdauern
DIFS
RTS
frag1
Sender
SIFS
CTS SIFS
t0 t1
frag2
SIFS
Empfänger
SIFS
ACK1 SIFS
ACK2
PIFS
Kapitel 3.2: WLAN
Seite 25
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SIFS
D4
CFend
SIFS
U2
U4
Kapitel 3.2: WLAN
NAV
wettbewerbsfreie Periode
Wettbewerb
Seite 26
802.11 - Rahmenformat
• Typen
– Steuerrahmen, Management-Rahmen, Datenrahmen
• Sequenznummern
– wichtig für duplizierte Pakete aufgrund verlorengegangener ACKs
• Adressen
– Empfänger, Transmitter (physikalisch), BSS Identifier, Sender (logisch)
• Sonstiges
– Sendedauer, Prüfsumme, Rahmensteuerung, Daten
bytes
2
2
6
6
6
2
6
Frame Duration/ Address Address Address Sequence Address
Control
ID
1
2
3
Control
4
2
PIFS
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Kommunikation und verteilte Systeme
Rahmenformat
2
D3
t4
data
t
Wettbewerb
SIFS
D2
SIFS
U1
DIFS
NAV (frag1)
NAV (ACK1)
weitere
Stationen
bits
SIFS
D1
SIFS
NAV (RTS)
NAV (CTS)
t2 t3
Superrahmen
4
1
1
1
1
1
1
1
0-2312
4
Data
CRC
Frame Control
• Protokollversion, Rahmentyp (Verwaltung, Steuerung, Daten), Fragmentierung,
Verschlüsselungsinformationen, Bedeutung der folgenden Adressfelder
Duration ID
• Bei RTC, CTS, Fragmentierung mitgesendet zum Setzen der NAV
Adressen
• Jeweils 48-Bit-IEEE-802-MAC-Adresen. MAC-Rahmen können zwischen zwei
Stationen, zwischen Station und AP oder zwischen zwei APs durch das
Distribution System übertragen werden. In Frame Control legen zwei Bit (von DS,
nach DS) fest, auf welcher Strecke übertragen wird. Adressaten sind: Empfänger
[1], Transmitter (physikalisch) [2], BSS Identifier [3], Sender (logisch)[4]
Sequence Control
• Erkennung von duplizierten Rahmen
1
Protocol
To From More
Power More
Type Subtype
Retry
WEP Order
version
DS DS Frag
Mgmt Data
Kapitel 3.2: WLAN
Seite 27
Kapitel 3.2: WLAN
Seite 28
t
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Adressformat
Paketart
Ad-hoc Netzwerk
Infrastruktur
Netzwerk, von AP
Infrastruktur
Netzwerk, zu AP
Infrastruktur
Netzwerk, im DS
Spezielle Rahmenformate
to DS from
DS
0
0
0
1
DA
DA
SA
BSSID
BSSID
SA
-
1
0
BSSID
SA
DA
-
1
1
RA
TA
DA
SA
CRC
4
CRC
Seite 30
Kapitel 3.2: WLAN
DSSS PHY Paketformat
• Synchronisation
– Synchronisation der Empfänger mit 010101...
• SFD (Start Frame Delimiter)
– 0000110010111101 als Startmuster
• PLW (PLCP_PDU Length Word)
– Länge der Nutzdaten in Bytes inklusive 32-Bit-CRC (am Ende der Nutzdaten).
Erlaubte Werte liegen zwischen 0 und 4095
• PSF (PLCP Signaling Field)
– Datenrate der Nutzdaten (1 oder 2 Mbit/s)
• HEC (Header Error Check)
– CRC mit x16+x12+x5+1
Präambel
Übertragung immer
mit 1 Mbit/s
4
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FHSS PHY Paketformat
SFD
2
2
6
Frame
Receiver
Duration
Control
Address
Clear to Send, CTS
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Kapitel 3.2: WLAN
2
2
6
6
Frame
Receiver Transmitter
Duration
Control
Address Address
bytes
Seite 29
16
4
CRC
bytes
Request to Send, RTS
Kapitel 3.2: WLAN
Synchronisation
2
2
6
Frame
Receiver
Duration
Control
Address
Acknowledgement, ACK
DS: Distribution System
AP: Access Point
DA: Destination Address
SA: Source Address
BSSID: Basic Service Set Identifier
RA: Receiver Address
TA: Transmitter Address
80
bytes
Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Adresse 4
12
PLW
4
PSF
16
HEC
Header
Übertragung wahlweise
mit 1 oder 2 Mbit/s
variabel
Bits
• Synchronisation
– Snychronisation, Leistungssteuerung, Signaldetektion, Frequenzanpassung
• SFD (Start Frame Delimiter)
– 1111001110100000 als Startmuster
• Signal
– Datenrate der Nutzlast (0A: 1 Mbit/s DBPSK; 14: 2 Mbit/s DQPSK)
• Service
– Für spätere Verwendung reserviert, Standard: 00 für 802.11-Rahmen
• Length (Länge der Nutzdaten) und HEC (CRC) wir bei FHSS
128
Synchronisation
Nutzdaten
Seite 31
16
Präambel
Übertragung immer
mit 1 Mbit/s
Kapitel 3.2: WLAN
8
8
16
16
SFD Signal Service Length HEC
variabel
Bits
Nutzlast
Header
Übertragung wahlweise
mit 1 oder 2 Mbit/s
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Kommunikation und verteilte Systeme
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IEEE 802.11b – PHY-Rahmenformate
IEEE 802.11a – PHY-Rahmenformat
Langes Rahmenformat:
128
16
synchronization
SFD
8
8
16
16
signal service length HEC
variabel
Bits
4
Nutzdaten
1
12
1
6
rate reserved length parity
Präambel
16
tail service
variabel
6
variabel
Nutzdaten
tail
pad
Bits
Header
192 µs bei 1 Mbit/s DBPSK
PLCP-Kopf
1, 2, 5.5 oder 11 Mbit/s
Kurzes Rahmenformat, optional:
56
short synch.
16
SFD
8
8
16
16
signal service length HEC
variabel
Bits
Präambel, SFD
Nutzdaten
Signal
12
Präambel
(1 Mbit/s, DBPSK)
Header
(2 Mbit/s, DQPSK)
96 µs
Daten
1
variabel
6 Mbit/s
6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s
2, 5.5 oder 11 Mbit/s
Kapitel 3.2: WLAN
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Kommunikation und verteilte Systeme
Seite 34
Kapitel 3.2: WLAN
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Kommunikation und verteilte Systeme
802.11 - MAC Management
Synchronisation mit einem „Leuchtfeuer“
• Synchronisation
– Finden eines LANs, versuchen im LAN zu bleiben
– Synchronisation interner Uhren (z.B. FHSS, PCF, Energiesparmechanismen)
– Timer etc.
• Beacon-Rahmen enthält Zeitstempel und Verwaltungsinformationen für
Energiesparmaßnahmen und Roaming
• Variierende Abstände zwischen Beacon-Rahmen, da das Medium belegt sein kann
• In Infrastrukturnetzen: AP übernimmt Aussenden des Lechtfeuers
• Power Management
– Schlafmodus ohne eine Nachricht zu verpassen
– periodisches Schlafen, Rahmenpufferung, Verkehrszustandsmessung
• Assoziation/Reassoziation
– Eingliederung in ein LAN
– Roaming, d.h. Wechseln zwischen Netzen von einem Access Point zu einem
anderen
– Scanning, d.h. aktive Suche nach einem Netz
• MIB - Management Information Base
– Verwalten, schreiben, lesen
Intervall des
periodischen
Funksignals
(beacon): 20ms - 1s
Zugangspunkt
Medium
B
B
busy
busy
B
busy
B
busy
t
Wert des Zeitstempels
Kapitel 3.2: WLAN
Symbole
Seite 35
Kapitel 3.2: WLAN
B
Beacon-Paket
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Synchronisation mit einem „Leuchtfeuer“
(ad-hoc)
Steuerung der Leistungsaufnahme
• Alle Stationen versuchen, einen Beacon-Rahmen in festgelegten Abständen zu
versenden
• Normales Zugriffsverfahren mit Backoff
• Eine Station gewinnt und sendet Beacon-Rahmen zuerst. Aller anderen Stationen
synchronisieren sich auf diesen Rahmen.
Beacon-Intervall
B1
Station1
B1
B2
Station2
busy
Medium
B2
busy
busy
busy
t
Wert des Zeitstempels
B
zufällige Verzögerung
beacon Paket
Seite 37
Kapitel 3.2: WLAN
• Idee: Ausschalten der Sende/Empfangseinheit, wenn nicht benötigt
• Timing Synchronization Function
– Regelmäßiges Aufwachen aller Stationen. Sendungen für schlafende Stationen
werden zwischengespeichert, bei Aufwachen der Stationen wird Übertragung
angekündigt
• Infrastruktur:
– AP kann alle ausstehenden Rahmen für schlafende Stationen speichern
– Mit jedem Beacon-Rahmen wird eine Traffic Indication Map (TIM) mitgesendet,
die angibt, für wen Rahmen zwischengespeichert sind.
– Zusätzlich: Liste für Broadcast-/Multicast-Empfänger (Delivery Traffic Indication
Map, DTIM)
• Ad-hoc
– Ad-hoc Traffic Indication Map (ATIM)
• Bekanntmachung von Empfängern zwischengespeicherter Pakete durch die
speichernden Stationen
• komplexer, da kein zentraler AP: alle Stationen speichern zwischen
• Kollisionen von ATIMs möglich (Skalierbarkeit?)
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Energiesparen mit Wachmustern
(Infrastruktur)
TIM Intervall
Zugangspunkt
T
busy
Medium
Energiesparen mit Wachmustern (ad-hoc)
ATIMFenster
DTIM Intervall
D B
busy
T
d
D B
busy
Station1
busy
p
Station
Kapitel 3.2: WLAN
D
TIM
B
Broadcast/Multicast
DTIM
A
B2
B2
D
a
B1
d
d
B
wach
p PS Poll
Beacon-Intervall
B1
Station2
t
T
Seite 38
Kapitel 3.2: WLAN
Beacon-Paket
wach
d Datenübertragung
von/zu der Station
Seite 39
Kapitel 3.2: WLAN
t
zufällige Verzögerung A ATIM-Übertragung D Datenübertragung
a Bestätigung v. ATIM
d Bestätigung der Daten
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802.11 - Roaming
WLAN in Aachen: MoPS
Keine oder nur schlechte Verbindung?
• Scanning
– Abtasten der Umgebung (Medium nach „Leuchtfeuer“ von APs abhören
oder Probe ins Medium senden und Antwort abwarten)
MoPS: Mobile Professors and Students
• Reassociation Request
– Station sendet Anfrage an AP(s)
Ziel: Aufbau eines drahtlosen Kommunikationsnetzes
in Ergänzung zum RWTH-Kernnetz
• Reassociation Response
– bei Erfolg, d.h. ein AP hat geantwortet, nimmt Station nun teil
– bei Misserfolg weiterhin Scanning
Ursprünglich: Installation von APs in Hörsälen und
zentralen Einrichtungen der RWTH
• AP akzeptiert Reassociation Request
– Anzeigen der neuen Station an das Distribution System
– Distribution System aktualisiert Datenbestand (d.h. wer ist wo)
– normalerweise wird alter AP vom Distribution System informiert
Kapitel 3.2: WLAN
Mittlerweile: Installation von Außenantennen zur
Abdeckung von öffentlichen Plätzen und Gegenden
mit hoher Studentendichte
Seite 41
Seite 42
Kapitel 3.2: WLAN
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Kommunikation und verteilte Systeme
Geräte
Access Points
Funkkarten
Externe Antennen
Kapitel 3.2: WLAN
Seite 43
Kapitel 3.2: WLAN
Seite 44
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Kommunikation und verteilte Systeme
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Kommunikation und verteilte Systeme
Konfiguration
Sicher ist sicher…
Infrastruktur- oder Ad-Hoc-Netz?
SSID: Identifier für ein WLAN.
• Hier: mops
• Nur Komponenten mit der
gleichen SSID können ein
Netz bilden
• SSID „any“ akzeptiert
beliebige Stationen
Einfache Einrichtung der
zugehörigen Software auf dem
Rechner.
Noch einfacher ist der Access Point
zu installieren: anschließen – läuft!
Kapitel 3.2: WLAN
Seite 45
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Kommunikation und verteilte Systeme
Bei WLAN „fliegen die Daten frei in der Luft herum“.
Bei WLAN kann jeder in Reichweite den eigenen Access Point mitnutzen
Daher: Sicherheit!
Registrierung zugelassener MAC-Adressen
• Aber: MAC-Adressen können gefälscht werden, hoher Aufwand bei großen Netzen
WEP: Wired Equivalent Privacy
• Authentisierung am Access Point
• Wer den WEP-Schlüssel nicht kennt, kann sich nicht mit dem AP verbinden
• Aber: kein Schlüsselmanagement, keine ausreichende Schlüssellänge
Datenverschlüsselung
• Informationen werden vor der Übertragung verschlüsselt
... nur kommen viele Anwender mit der Konfiguration des APs nicht zurecht – sie
bringen ihn als defekt in den Laden zurück. Der Hersteller freut sich und lässt von
da an alle Sicherheitsmaßnahmen im Auslieferzustand deaktiviert.
Seite 46
Kapitel 3.2: WLAN
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Wardriving
Warchalking
Neuer Sport: suche nach offenen WLANs.
Man nehme:
• Einen Laptop mit PCMCIA-Slot und einem Anschluß für einen GPS-Empfänger
• Eine PCMCIA-WLAN-Karte
• Eine Software zum Aufspüren von Access Points,
z.B. Network Stumbler
Was man an Wänden finden kann, nachdem ein
Wardriver vorbeigekommen ist...
• Einen GPS-Empfänger
• Zeit zum Umherstreifen
Kapitel 3.2: WLAN
Seite 47
Kapitel 3.2: WLAN
Seite 48
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Kommunikation und verteilte Systeme
(getrennt durch
Installation)
100
byte
802.15
79 Kanäle
SIFS
ACK
DIFS
500 byte
SIFS
ACK
100
byte
802.11b
3 Kanäle
DIFS
DIFS
SIFS
ACK
SIFS
ACK
DIFS
100
byte
DIFS
DIFS
100
byte
500 byte
SIFS
ACK
SIFS
ACK
100
byte
DIFS
SIFS
ACK
1000 byte
500 byte
DIFS
DIFS
DIFS
f [MHz]
2480
SIFS
ACK
802.11 vs. 802.15/Bluetooth
(getrennt durch
Sprungfolge)
2402
t
• Bluetooth könnte sich rüpelhaft in einem 802.11-Netz verhalten
– weiß nichts um Sendepausen, IFS etc.
• IEEE 802.15-2 greift diese Probleme auf
– Vorschlag: Adaptive Frequency Hopping (nicht kollaborativ, reine Koexistenz
ohne Zusammenarbeit)
• Echte Auswirkungen? Viele unterschiedliche Meinungen, Veröffentlichungen,
Tests, …
– Ergebnisse reichen von komplettem Zusammenbruch bis zu störungsfrei
– Bluetooth (FHSS) ist robuster als 802.11b (DSSS)
Kapitel 3.2: WLAN
Seite 49